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“雙碳”目標(biāo)成為我國(guó)重要戰(zhàn)略決策后，發(fā)展清潔、低成本的太陽(yáng)能光伏發(fā)電，成為實(shí)現(xiàn)這一戰(zhàn)略目標(biāo)的重要途徑和技術(shù)保障。研發(fā)更高效率的新型光伏技術(shù)，進(jìn)一步降低光伏發(fā)電成本，也成為各大科研機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵研究課題。其中兼?zhèn)涓咝屎偷统杀镜拟}鈦礦/硅疊層電池，有望在單結(jié)太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化極限的困境中突出重圍，成為顛覆性的下一代重要光伏技術(shù)。

鈣鈦礦/硅疊層電池通過(guò)串聯(lián)鈣鈦礦頂電池和晶硅底電池構(gòu)筑而成。一方面作為疊層電池的核心部分，鈣鈦礦層薄膜結(jié)晶的質(zhì)量必須有保障；另一方面我們還需確保這些鈣鈦礦層薄膜結(jié)晶能完全覆蓋在晶硅電池表面（即保形生長(zhǎng)），只有這樣，疊層電池才能合理利用晶硅良好的陷光特性，達(dá)到理想的電流密度，從而充分發(fā)揮自身潛在效率。

為此，南京大學(xué)譚海仁團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了陰離子工程添加劑策略，來(lái)控制寬帶隙鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶過(guò)程。最終，譚老師研究團(tuán)隊(duì)不僅提高了鈣鈦礦薄膜質(zhì)量，同時(shí)也可以讓其更好的覆蓋在晶硅電池表面，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量保形沉積。這為更好的發(fā)揮鈣鈦礦/硅疊層電池的潛力提供了契機(jī)。相關(guān)成果以“Efficient Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells on Industrially Compatible Textured Silicon”發(fā)表在Advanced Materials。

注入靈魂，混合添加劑調(diào)控反應(yīng)過(guò)程

此前，為了制備疊層電池所需的鈣鈦礦薄膜，研究人員一般使用雜化兩步法。首先通過(guò)真空設(shè)備，將鈣鈦礦無(wú)機(jī)框架蒸鍍?cè)谝r底上，然后再將有機(jī)鹽涂覆在襯底上，以便鈣鈦礦薄膜結(jié)晶可以更好的覆蓋在晶硅電池表面。但是，這個(gè)方法往往出現(xiàn)因無(wú)機(jī)物轉(zhuǎn)變不充分而導(dǎo)致成膜質(zhì)量差的問(wèn)題。

對(duì)此，研究團(tuán)隊(duì)將應(yīng)對(duì)方法集中在兩個(gè)方面，要么改變無(wú)機(jī)物成分，要么在涂覆的有機(jī)鹽中加入添加劑來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)控。經(jīng)過(guò)多番論證，引入添加劑的方法因操作簡(jiǎn)單，易于控制，種類多樣脫穎而出。

圖1，雜化兩步沉積法原理圖

引入陰離子工程添加劑，MACl、MASCN 或 MACl 和 MASCN 的混合物來(lái)調(diào)節(jié)鈣鈦礦的結(jié)晶過(guò)程。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，課題組發(fā)現(xiàn)單獨(dú)引入甲胺硫氰酸鹽（MASCN）的確顯著提升了薄膜質(zhì)量和結(jié)晶性，但其生長(zhǎng)速率過(guò)快導(dǎo)致晶粒尺寸過(guò)大，不能實(shí)現(xiàn)良好的保型生長(zhǎng)。而另一種容易揮發(fā)的甲胺鹽酸鹽（MACl），作為促進(jìn)反應(yīng)的添加劑，在雜化兩步法中對(duì)于薄膜的質(zhì)量提升有限。將兩種添加劑混合后，才能充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的保型生長(zhǎng)。（如圖2所示）將 MACl 和 MASCN 作為混合添加劑，引入到有機(jī)鹽中，讓它們共同參與調(diào)控反應(yīng)過(guò)程。譚老師研究團(tuán)隊(duì)將這個(gè)方法稱之為“陰離子工程添加劑策略”。

圖2，晶硅面上沒(méi)有添加劑(Control)和加入添加劑(MACl, MASCN,MA(Cl0.5SCN0.5))的鈣鈦礦薄膜的表面(上)和截面(下)的掃描圖像。

在硅底上制備的含不同添加劑的鈣鈦礦薄膜，如圖3所示，其穩(wěn)態(tài)熒光光譜的波峰展示出明顯的強(qiáng)度區(qū)別，表明加入混合添加劑的鈣鈦礦薄膜的優(yōu)秀質(zhì)量；同時(shí)，發(fā)光峰位沒(méi)有明顯區(qū)別，說(shuō)明鈣鈦礦的帶隙沒(méi)有明顯變化，添加劑沒(méi)有殘留。

圖3，加入混合添加劑的鈣鈦礦薄膜

穩(wěn)態(tài)熒光光譜圖。

混合添加劑制備的鈣鈦礦薄膜衰減曲線緩慢（如圖4藍(lán)色曲線），通過(guò)對(duì)曲線進(jìn)行擬合，得知混合添加劑制備的薄膜壽命為 75.0 ns，無(wú)添加劑薄膜的壽命為 10.9 ns?？梢?jiàn)，混合添加劑薄膜缺陷密度小，薄膜質(zhì)量更優(yōu)。

圖4， 混合添加劑薄膜的時(shí)間分辨瞬態(tài) PL 譜圖

實(shí)現(xiàn)兼容，高效能疊層電池光電轉(zhuǎn)化率高達(dá) 28.6%

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，鈣鈦礦層應(yīng)用在疊層電池上，實(shí)現(xiàn)了效率為 28.6% 的鈣鈦礦/硅異質(zhì)結(jié)疊層太陽(yáng)能電池。

圖5，疊層電池的 MPP 跟蹤和 20 個(gè)

疊層電池的 PCE 分布

同時(shí)，這種制備方法生成的薄膜結(jié)晶也能與大面積規(guī)?；圃斓木Ч璧纂姵丶嫒荩?16 平方厘米的面積上實(shí)現(xiàn)了 25.1% 的效率。

圖6，大面積疊層電池(面積 16cm2)的 J-V 曲線，插圖為疊層電池器件的數(shù)碼照片

陰離子工程添加劑策略還顯著提高了寬帶隙鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的運(yùn)行穩(wěn)定性，在 1 個(gè)太陽(yáng)光照下，封裝的疊層太陽(yáng)能電池運(yùn)行 2000 小時(shí)后，仍能保持超過(guò) 80% 的初始性能。

圖7，封裝的疊層太陽(yáng)能電池在空氣(相對(duì)濕度 20-40%)中的 MPP 跟蹤插圖為封裝器件的圖片

至此，各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)都證明：通過(guò)加入添加劑調(diào)控處理的疊層電池，打破了傳統(tǒng)晶硅電池的效率瓶頸，并具有領(lǐng)先的質(zhì)量保證與長(zhǎng)效使用壽命！

面對(duì)新興材料的提效困局，在深入理解現(xiàn)有方法的基礎(chǔ)上激發(fā)潛能，這個(gè)具有普適性的優(yōu)化策略值得各位科研人士廣泛借鑒。同時(shí)，對(duì)于研發(fā)項(xiàng)目可兼容大規(guī)模生產(chǎn)的重視，更是我們探索道路上不可忽視的一環(huán)。南京大學(xué)譚海仁課題組兼顧二者，在太陽(yáng)能電池研發(fā)項(xiàng)目上孜孜不倦，他們的鉆研精神宛如耀眼的太陽(yáng)光能，驅(qū)動(dòng)著更多探索者不斷突破自我，開(kāi)創(chuàng)新征程。

儀器使用評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)室中的 HORIBA Nanolog 模塊化科研級(jí)穩(wěn)瞬態(tài)熒光光譜儀

在本次實(shí)驗(yàn)中，課題組使用了 HORIBA Nanolog 模塊化科研級(jí)穩(wěn)瞬態(tài)熒光光譜儀，通過(guò)其產(chǎn)生的激發(fā)光，獲取光子發(fā)光的波長(zhǎng)，強(qiáng)度信息，用來(lái)判斷材料的帶隙，載流子動(dòng)力學(xué)和晶體質(zhì)量。

課題組簡(jiǎn)介

譚海仁，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，入選中組部“海外高層次人才引進(jìn)計(jì)劃”、江蘇省“雙創(chuàng)人才”及“雙創(chuàng)團(tuán)隊(duì)”領(lǐng)軍人才，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題負(fù)責(zé)人。

長(zhǎng)期從事新型光伏材料與器件的研究工作，其中鈣鈦礦疊層電池的世界紀(jì)錄多次被業(yè)界權(quán)威的“Solar cell efficiency tables”收錄。在 Nature, Science, Nature Energy, Nat. Comm., Adv. Mater.等學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文累計(jì)引用 12000 余次。

如果您對(duì)本研究中使用的產(chǎn)品感興趣，歡迎掃描二維碼留言，我們的工程師將會(huì)及時(shí)為您答疑解惑。